智能配電網技術框架研究

引言

隨著全球資源環(huán)境壓力的不斷增大，社會對環(huán)境保護、節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展的要求日益提高，同時，電力市場化進程的不斷推進以及用戶對供電可靠性和電能質量的要求不斷提升：未來的電網數(shù)據(jù)量和信息量更大，需要能支持潮流和信息流的雙向流動;必須能夠提供更加安全、可靠、清潔、優(yōu)質的電力供應;能夠適應多種能源發(fā)電方式的協(xié)調運行;能夠適應客戶自主選擇的需要，并能進一步提高電網資產的利用效率和社會經濟效益，等等，因此，電力企業(yè)面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)[1]。以美國和歐盟為代表的不同國家和組織不約而同地提出建設智能電網，將智能電網視為未來電網的發(fā)展方向[2-10]，各國根據(jù)自己的國情，給智能電網賦予了不同的含義，但其目的都是節(jié)能減排、提高電網的能效和可靠性。

智能電網涉及電力系統(tǒng)發(fā)、輸、變、配、用、調度各個環(huán)節(jié)[11-12]，其中，配電網處于電力系統(tǒng)的末端，直接與用戶相連，由于電力系統(tǒng)對用戶的供電能力和供電質量需通過配電網來實現(xiàn)和保障，因此，建設智能配電網是智能電網的重要環(huán)節(jié)。

1 智能配電網的內涵與特征

1.1 智能配電網的內涵

智能配電網涵蓋了配網自動化的全部內容，幾乎涉及了配電系統(tǒng)一次與二次的所有技術領域，且支持分布式電源的大量接入和深度滲透，可實現(xiàn)與用戶的互動。智能配電網涵蓋面很廣，但迄今為止卻沒有一個被大家公認的統(tǒng)一而完整的定義。文獻[13]給出了智能配電網的核心構件和智能配電網應具備的系統(tǒng)和設備;文獻[14]強調智能配電網的目的是延長設備壽命，確定更換資產的優(yōu)先順序，降低配電網改造費用和防止配電網故障等;文獻[15]指出智能配電網是配電網高級自動化的延伸，與傳統(tǒng)配電網的主要區(qū)別在于允許可再生能源和分布式發(fā)電單元的大量接入和微網運行，鼓勵各類不同電力用戶積極參與電網互動。目前，各國在結合本國國情建設智能配電網的過程中已形成了很多共識，其內涵主要包括3個方面：①以物理實體電網為基礎，包括各種配電基礎設施、開關、配電終端、傳感器等;②融合了各種現(xiàn)代先進技術，如：傳感測量技術、自動化技術、通信技術、信息技術、計算機技術、控制技術等;③與傳統(tǒng)配電網相比，智能配電網支持各種能源形式的分布式電源和電力用戶自備電源、儲能裝置、電動汽車的接入和使用，其運行方式更加靈活可調，供電安全性、可靠性和電能質量顯著提升，提高了能源利用的社會經濟效益。

1.2 智能配電網的特征

與傳統(tǒng)配電網相比，智能配電網在供電安全性、電能質量和電網資產利用率等方面都比傳統(tǒng)配電網有顯著提升。智能配電網具有以下基本特征：

(1)信息化。信息化是實現(xiàn)智能配電網的基礎，指具備對配電網實時和非實時信息的高度集成、多方共享和深度挖掘利用的能力。電力信息化分為電力生產控制信息化和電力企業(yè)管理信息化兩大類。

(2)自動化。自動化是智能配電網發(fā)展水平的直觀體現(xiàn)，包括依靠高效的信息采集傳輸和集成應用，實現(xiàn)配電網控制策略的自動優(yōu)選、運行狀態(tài)的自動監(jiān)控和故障狀態(tài)的自動恢復等。

(3)互動化?；踊侵悄芘潆娋W的內在要求，指通過信息實時溝通分析，實現(xiàn)電源、電網和用戶資源的良性互動與高效協(xié)調，促進電能的安全、高效、清潔應用。智能配電網的互動化有2層含義：①指智能配電網支持分布式電源的大量接入;②指電網與用戶之間的互動，包括支持用戶根據(jù)實時電價選擇用電時間，允許和鼓勵用戶自有分布式電源上網等。

1.3 我國智能配電網的發(fā)展目標

發(fā)電、輸電、變電、配電、用電、調度是堅強智能電網的六大應用環(huán)節(jié)，其中，智能配電的發(fā)展目標是：建成高效、靈活、合理的配電網架結構，提升配電網的靈活重構、潮流優(yōu)化能力和可再生能源的接納能力;實現(xiàn)分布式儲能裝置及分布式電源的兼容接入與統(tǒng)一控制;提高用戶用電的可靠性和電能質量，提升配電網在緊急狀況時對主網的支撐能力。

2 智能配電網技術框架

智能配電網是集傳感測量、計算機、通信、信息、自動控制等領域新技術在配電系統(tǒng)中應用的總和，是從提高電網整體性能、節(jié)省總體成本出發(fā)，將各種新技術與傳統(tǒng)的配電技術進行有機的融合，使配電網的結構以及保護與運行控制方式發(fā)生革命性的變化，因此，智能配電網的發(fā)展需要從智能配電網的基礎領域切入，構建符合我國發(fā)展需求的智能配電網技術框架。智能配電網的技術框架可分為如圖1所示的3個層次。

2.1 完善配電網基礎設施的設備層

結構合理、網架堅強的配電網實體和安全經濟、靈活可靠的智能配電裝備是智能配電網的基礎。但我國傳統(tǒng)配電網基礎比較薄弱，自動化程度較低，距智能配電網的要求存在較大的差距，所以在智能配電網框架最底層的設備層，需要實施和完善以下功能：①建設堅強的實體配電網。智能配電網應改變我國配電網發(fā)展長期滯后、基礎薄弱的現(xiàn)狀，加強和完善配電網的基礎設施建設，建成具有堅強網架結構的配電網;未來的配電網應能靈活應對自然災害等突發(fā)性事件。②實現(xiàn)配電裝備的智能化。由于傳統(tǒng)的開關、保護控制設備和配電終端不適應智能配電網的需求，且分布式電源的大量接入對智能配電設備也提出了新的需求，所以智能配電網應實現(xiàn)配電裝備的智能化。

為了發(fā)展配電網的智能應用，實現(xiàn)上述功能，應加強以下技術支撐點的研究：①應在規(guī)劃流程、數(shù)學模型和規(guī)劃方法等方面有所突破，以適應大量分布式電源的并網運行;②智能配電裝備既要涵蓋傳統(tǒng)二次系統(tǒng)的測控、保護、安全穩(wěn)定控制等裝置的功能，還要包括傳統(tǒng)一次系統(tǒng)的靜止補償裝置、固態(tài)開關、分布式儲能等裝置的功能。

2.2 構建信息通信支撐的數(shù)據(jù)層

智能配電網需要采集大量的設備狀態(tài)數(shù)據(jù)和各類表計計量數(shù)據(jù)[16-17]，對于這些量大、采集點多且分散、對實時性要求高的數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)的信息通信體系已不能滿足要求，需應用先進的傳感測量技術，建立統(tǒng)一的通信和信息平臺作為支撐。智能配電網對數(shù)據(jù)信息的管理和維護都在數(shù)據(jù)層完成，數(shù)據(jù)層是智能配電網的海量數(shù)據(jù)庫，為配電網各個環(huán)節(jié)的電網業(yè)務提供更多的數(shù)據(jù)支持，所以在數(shù)據(jù)層需要對以下技術支撐點開展研究：

(1)先進的傳感測量技術。傳感測量技術可給電力系統(tǒng)運行和規(guī)劃人員提供數(shù)據(jù)支持，如功率因數(shù)、相位關系、變壓器和線路負荷、關鍵元件的溫度、停電確認、電能消費和預測數(shù)據(jù)等，應用先進的傳感測量技術可以準確地感知電網的運行狀態(tài)，監(jiān)控設備的健康狀況，評估電網的安全性和穩(wěn)定性等。

(2)開放的通信平臺。現(xiàn)有配電網通信網絡信息大多為從設備到調度中心單向流動，僅有少量的控制信息是從調度中心到設備，不能滿足智能電網雙向通信的需求，為此，建立高速、雙向、實時、集成的通信系統(tǒng)是實現(xiàn)智能配電網的基礎。構建開放的通信平臺需要重點研究的內容為：①開放的通信架構，以形成一個“即插即用”的環(huán)境，使電網元件之間能夠進行網絡化的通信;②統(tǒng)一的技術標準，以使所有的傳感器、智能設備以及應用系統(tǒng)之間無縫通信，實現(xiàn)設備和設備之間、設備和系統(tǒng)之間、系統(tǒng)和系統(tǒng)之間的互操作功能。

(3)統(tǒng)一的信息平臺?，F(xiàn)有的信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)來源不統(tǒng)一、數(shù)據(jù)模型維護不及時、彼此之間無法協(xié)調和溝通，需要建立一個信息來源更廣泛、信息量更大、支持信息雙向流動和數(shù)據(jù)共享機制的統(tǒng)一的信息平臺。

2.3 提升新技術應用的應用層

智能配電網將通過各種分析計算與仿真模擬，針對配電網的優(yōu)化運行、智能調度、智能控制等提供決策支持，實現(xiàn)配電網的優(yōu)化運行與智能控制，實現(xiàn)分布式電源/微網/儲能裝置的合理接入以及與用戶的良好互動，保證配電網安全、可靠、穩(wěn)定、經濟、環(huán)保運行。智能配電網最終的智能化目標是有效整合并綜合利用電力系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)、動態(tài)、暫態(tài)運行信息，實現(xiàn)電力系統(tǒng)正常運行的在線監(jiān)測、優(yōu)化、預警、動態(tài)安全分析以及緊急狀態(tài)下的故障診斷隔離、協(xié)調控制、自我恢復等功能。智能配電網的這些功能最終將通過應用層實現(xiàn)，所以為了滿足智能應用的需求，還應對以下關鍵技術開展多層次的應用：

(1)優(yōu)化運行。優(yōu)化運行可解決含分布式電源的配電網安全運行與經濟運行，可實現(xiàn)：①正常運行方式下網損最小化，并提高配電設備使用效率;②檢修方式下網絡優(yōu)化;③故障方式下的快速轉供。

(2)快速仿真與模擬。配電網快速仿真與模擬是實現(xiàn)配電網自愈的重要工具，”其目的是通過配電網狀態(tài)估計、潮流計算、負荷預測、動態(tài)安全評估、預想事故分析等為系統(tǒng)自適應保護、故障定位和隔離、網絡重構等及時提供決策支持，主要有2類計算：①靜態(tài)模型和動態(tài)特性相結合的分析計算;②基于信號分析的實時直接測量推算，包括實時狀態(tài)估計、潮流計算、聚合分析、短期負荷預測、預想事故分析、動態(tài)安全分析等。

(3)智能調度。智能電網若要支持分布式電源的大量接入及能量的雙向流動，將使得電網調度更為復雜，所以智能調度是未來電網發(fā)展的必然趨勢。智能調度需要實現(xiàn)真正意義上的全電網狀態(tài)實時精確估計，對智能電網進行更為精確的調控，并加強需求側管理。

(4)智能控制。分布式電源的大量接入，使得用戶側也不再是單純的用電環(huán)節(jié)，用戶與電網之間的深度互動使得配電網的智能控制不再是一個單一目標的控制問題，智能配電網在保證電網安全、經濟和優(yōu)質運行的前提下，還要考慮節(jié)能減排、提高能源轉化效率等目標，即智能配電網的控制目標較傳統(tǒng)電網更為復雜和多樣，所以無論從控制目標、控制手段還是控制要求來講，都需在現(xiàn)有的基礎上有所突破，以發(fā)揮智能配電網的優(yōu)勢。

(5)分布式電源/微網接入。由于配電網中的分布式電源靠近負荷中心，可降低電網輸送的容量，提高供電可靠性，因此得到廣泛采用。然而，大量的分布式電源并入中、低壓配電網運行，將徹底改變傳統(tǒng)的配電系統(tǒng)單向潮流的特點，所以要求系統(tǒng)使用新的保護方案、電壓控制和儀表等來滿足雙向潮流的需要[17];由于分布式電源具有波動性和間歇性的特點，并入電網后，如果控制不當，容易對電網產生沖擊，所以需要對分布式電源及風電功率的并網運行進行研究，并大力發(fā)展儲能技術。

(6)建立、完善各類標準體系[18]。在智能配電網建設過程中，通過完善統(tǒng)一的標準可以實現(xiàn)各類電力設施及各種新技術應用之間的互聯(lián)互通，因此應積極參與國際標準的研究和制定，爭取在國際標準體系中的話語權，并結合國內電網現(xiàn)狀，建立一套適用性強、兼容性好的開放標準體系。

3 結語

智能配電網是建設智能電網的重點環(huán)節(jié)，建設堅強智能配電網需要在網架結構、設備水平、通信技術等方面開展深入的技術研究，并結合國內電網現(xiàn)狀，建立一套適用性強、兼容性好的開放標準體系。政府應充分發(fā)揮引領作用，出臺積極的智能配電網發(fā)展政策，使智能配電網發(fā)展戰(zhàn)略與國家發(fā)展戰(zhàn)略及能源戰(zhàn)略相銜接，在智能配電網規(guī)劃與建設中給予產業(yè)政策扶持、資金扶持等，為智能配電網的發(fā)展創(chuàng)造良好的外部環(huán)境。

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